开关电源寿命试验

1、开关电源一寿命评估1电源的寿命的定义和期望寿命众所周知，电子产品的故障如Bath-tub Curve （图1,）所示，分为以下三种类熨。 减少羽.（DFR； Decreasing Failure Rate）初期，带何缺陷的部分会发生故障，但随看时间的推移，剩卜的都是稳定的部件，故障率亦会F 降。这段时间称为初期故障期。 一定型（CFR; Constant Failure Rate）此时，机器运行稳定，故障率降至一定水平，发生的故障均为随机性事件，称为偶发性故障期。 这段时期的稳定度和平均故障时间（MTBF）呈指数式分布。 增加型（IFR： Increasing Failure Rate）故障率

2、逐渐上升。故障发生原因为磨损。多见于风励电动机的球形轴*及继电器的驱动部位等处。 这种类熨的故障具有集中某处发生的特征，一般从初期开始即呈止态分布.因此，可以说好命就是指机器故障率保持不变的稳定运行时期，也就是偶发故障期。用户对电源的最低寿命的要求冬不相同,般最好考虑为7T0年。然而，机器的运行时间因机 而异，所以应明确限定期望寿命，并检测设计是否符合寿命标准。P2表1中列举了几种主要电器的J6短寿命。它们是在设定完全使用时间为7年的前提下，根据乞种电器的运行状况推算出來的数据。用途必要寿命时间负荷比时间计算printer额定负荷 4.200H1最大额定负荷8-2H/天最小额定负荷2H/天使用

3、天数300天/年皱人额定负荷殍命 6 H/夭x300大/年x7年"2-600H 瑕小额定负荷命 2 H/天x300天/年x7年=4.200H最大额定负荷12.600H1PC额定负荷1使用8H/天寿命8H/天x300天/年x7年= 16,800HPPC额定负荷556H1PCB个数500,000个/寿命最小负荷时间 500,000个x分/个x （H/分）=556H 最人额定负荷 （8H/7>300 天x7 年）-556H = 16.244H最小额定负荷16.244H0.050.2FAX额定负荷5.500H1最小额定负荷2H/天x365天/年x7年=5.110H最大额定负荷（24H/

4、天x365天/年x7年）-5.110H=56.210H最小额定负荷0.12电源装置的寿命评估电源装置因为处理电流的缘故，所用部件受到的电应力大，发热虽為，机器内部温度上升快，所 以寿命评佔工作尤显乖要.机器的寿命皋本上和使用部件的寿命挂钩。部件寿命与热、电应力成 函数关系，其中更以热应力为主。从机器斤命设汁的观点來看，如果将所仃部件的好命统一，则能达到理想的必优性价比，但部件 的心命性能（影响部件春命的电力、环境特征）相签巨大，因而嫌以实现。一般來说，尽可能降 低短寿部件的应力，并极限化使用长寿部件，可以实现部件寿命的平均化电阻类、陶瓷电容器和薄膜电容器等半导体部件不接触强应力，寿命极长，因而

5、可以说卜曲举出 的部件的殍命才真止决定了电源的好命。P33决定寿命的主要部件 电解电容器电解电容器的封口部位会漏出气化的电解液，这种现象会随看温度的升岛而加速，-傲认为温度 每上升10°C,泄漏速度会提髙至2倍。因此可以说电解电容器决定了电源装置的寿命。 开关晶体管、高速功率二极管此类部件在性能界限内使川时，基本上可以维持770年的心命，但电源通断（能虽循环）时产 生的物理应力、热应力会导致元件劣化，提询损坏。 风塌球形轴承及轴承的润滑油枯竭、机械装置部件的磨损，会加速风塌的老化。加Z近年的DCH扇 的驱动回路开始使用电解电容器等部件,所以有必要将回路部件寿命等因素也-）考虑进去.

6、光电耦合器电流传达率（CTR： Current TransfeRatio）随着时间的推移会逐渐减少，结果发光二极管的电 流不断増大，有时会达到最大限制电流，致使系统失控。 开关多数开关电源设冇电容器输入熨的整流冋路，在通入电源时，会产生浪涌电流，导致开关接点疲 劳，引发接触电阻増大及吸附等问题。理论卜认为，在电源期第寿命期间，开关的通断次数约有 5,000 回。 冲击电流保护电阻、热敏功率电阻器为抵抗电源通入时产生的冲击电流，设计者将电阻与SCR等元件并联起來使用。电源通入时的 电力蜂值离达额定数值的数1-倍至数白倍.结果匕致电矶热疲劳，引起断路。处在相同悄况卜的 热敏功率电阻器也会发生热疲劳

7、现彖。P44寿命测试4.1寿命测试的意义为保证装置的心命，可以从构成装置的部件及材料的点命來推算装置总体的心命，从而代咎了対 装置本身的寿命测试.然而，推测毕竟只肚推测，要想貞止保障寿命，就必须切实搞好测试匸作。 另一方面，电源机器是整个装遼的心脏部位，与其他部分相比，要求有更高的稳定性。通过统计 來确定产品的耐用殍命，本是很普通的I作，但在这里，测试所耗费的样品、时间和费用等成本 颇为可观。耍解决这个难题，可以考虑采用以下三种方法： 依据储存数据和过去的实际经验，挑出短寿部件，对其进行专门的寿命测试，从而推算出整 个电源装置的寿命。 严格限制故障标准，从严判定故障。 提岛测试时的应力值，或者

8、增加巫复电源通断的次数。任易出故障的条件卜，缩短检测时间, 从严判定故障。第条要求操作者充分把握部件的使用状态，因为万一个别部件所受的应力超过预计，则有可能 导致判断失误。需要注意的是：设讣电源装胃时必须占虑到所仃部分的耐用好命和稳定性，所以 这种卷命测试不仅可以推算出机器的耐用寿命,更可以有效排除制逍商方面的设计失谋及漏洞。 电源机器的设汁也要考虑到用户的使用条件，但是因为用户未必都能充分把握冇关规格要求，所 以测试包括电源装胃在内的机器总体的春命是很有效的手段。这种做法也有利于用户方面对制造 商进行比较，增强厂家竞争力。4.2故障类型与故障构成冇关寿命的故障类熨是指部件故障的外在表现，例如

9、电源装置中出现的输出值下降，输出电压异 常上升等问题。这些类型是部件的故障类型中的短路、开跻和特性值改变引起的表现。故障构成在这里是指引发个别部件的故障的理论模型，也就是说从材料化学、原子分子的层而上 看，部件发生故障的原因是什么。关于故障构成的知识将会在卜文中就不同部件详细说明。耍想研究4命测试的方法，必须先将故障类型号故障构成的相互关系理淸。图2标明了二者间 的关系。P54.3加速寿命测试寿命测试需耍大量样晶和很多时间，故而一般采用加速寿命测试法。4.3.1加速要求好命加速的允许范闌是指能够保证随着咸力的增强，故障结构不变，闻特性值变化的形式、故障 时间的分布、平均心命和故障率等发生规则变

10、化的条件。应力如果过强，则会导致其它的劣化现 彖，所以应昭意应力值的设定。4.3.2劣化反应与加速系数部件及材料的特性值会随着皋本物质的扩散、氧化和再结晶等反应而发生劣化。设特性值为(P，反应速度为K, K与(p的关系如下：df(p)/dt=K(1)因此 f(p)=Kt(2)假设特性值(P达到故障标准a时，好命L就将结束。则由(2)可得f(a)=KL対命的加速系数AL为AL= LN/L = K/KN(3)LN、KN各为基准值另，根据阿列里乌斯推论，加速系数为ALM2JT/0T(4)但，Z)T = T-TN6T=T - TN8r= (T TNLN2) /BB：相应的活性化能源除以玻耳兹曼常数所得

11、的特殊常数。(注：玻耳兹曼常数为1.3709x10-10尔格/绝对温度。)TN：标准温度。一瑕电器的W值舉本上为10*0左右，所以(4)式被称为1CTC2倍定律，但这种关系式并非总 是能够成立。电子部件任接近常温时，每上升WC,寿命约减少至2/31/2。4.3.3故障构成与寿命测试寿命测试的内容依据故障构成來设定。如图3所示，由5种测试组成。P64.3.4高温断续测试的要求诸如继电器、开关和电购等机械性部件，以及功率晶体管，功率二极管等部件的升温现象很 严重，因而有必要进行髙温断续测试。通过切断和通入输入电源，使元件反复进行升温和冷却的 周期循坏，从而测得元件对热疲劳的附力。实际操作时需耍巫复

12、循环5, 00010, 000次。 环境温度：5080C断续循环：5,000-10,000次检测项H：逐次检测元件的一般性能.本测试亦町与高温连续测试组合使用。4.3.5高温连续寿命测试的要求环境温度：508CTC连续通电时间：1,000-3,000小时检测项目：一般性能(输入电压变化、输出电流变化、味动电压和输出电压偏差)不同的机器所耍求的坏境温度及连续通电时间也不尽相同，一般按照卜抽的方法求出。假定电源 装置的机器外部环境温度平均为25°C,考虑到机器内部的升温I人I索，电源周用的温度比机器外 部约髙1015'C，即3540°C。当然，特殊用途的电源不在此限。电

13、源的期望寿命平均为40,000小时，由阿列里乌斯公式可得LN=40,000H, TN=35°C, 0r=1O 0 代入第(3)、(4)式中可得下式：L二40,000 2- (T-35) /10(5)设定环境温度前，冇必要了解装置的温度上限。可采用所谓的淘汰测试法，逐级提高温度至测 试对象报废，从而测得对象的耐温I:限。电源机器的极限温度为7090C,如果能将坏境温度 提咼到此种程度，则可以加快机器好命的终结。此外，电解电容器是掇脆弱的部件，因浙仃必要 事先获悉其寿命值，并11在进行测试时，确保基本上不超过其温度上限。例如，设"759,则由(5)式可得L二2,500小时。4.

14、3.6高温高湿测试针对金属部件的腐蚀、刻料部件的分解等造成的机械强度和绝缘耐力卜降等故障，宜进行高温高 湿测试。耍求如下：环境温度：4050°C相对湿度：9095%放宣时间：96小时(通电或不通电)检测项口：按上述耍求放置后，取出放置在常温常湿下30分钟，进行-般性能、振 动测试、绝缘耐力测试和外观检査。4.3.7温度循环测试环境温度的岛低基产生季卩裂纹等变温性应力，从而导致焊接、犁模部件发生故障。进行本测试 即是为了检测出这种故障是否存在。要求如下：环境温度：高温5060C常温25*C低温一5一10*0P7将测试用电源放入上述三个恒温箱中乞510小时，帝复髙温一常温一低温一常温一髙

15、温的循 环3050次。检测项U： 般性能、振动测试和外观检查。5部件的寿命评估5.1电解电容器 舟命性能电解电容器的心命结束形式为磨损故障，决定命的主要因索为的电容量、损失角的止切(tan6). 漏电流等。随着时间的推移，静电容量减少,tanO增大.漏电流在外加电压时有增加的趋势, 所以对负荷的寿命影响不大。 舟命的判定用百分比來农示静电容园相对丁起始值的变化率，败达到一20%以下时即告行命结束。tan6 的值在超过规定值时寿命结束。漏电流在零负荷的情况下冇增加的趋势，同理，在超过规定侑时 寿命结束。®彩响妤命的主耍原因前ihi讲到的特性之所以会产生劣化，其主耍原因在于电解液。随着温

16、度的上升，电解液气化，经 电容器的封11部位向外泄漏，内部的电解液不断减少。融着电解液凰的减少，tan。会逐渐增人, 结果脉冲电流经由时产生的发热量増大，又进一步加快了劣化过程。这种关系如图4、图5所 示。 寿命的推算铝电解电容器的近似命可以山环境温度号脉冲电流引起的门发热温度屮推弘下面的式f农现 了寿命与环境温度之间的关系。（6）在这里,L仁温度T1时的卷命L2二温度T2时的野命T仁最髙保证温度或测试温度+脉冲发热温度T2二推算券命时的环境温度+脉冲发热温度些求T1 > T2测定脉冲发热的升温值时,需避开其它热辐射。另外,小型电解电容器受热极易升温，最好进 行表面温度实测。5.2光电耦

17、合器GaAs系的红外发光二极管多使用光电耦合器。这种发光二极管的发光效率的退化会导致CTR （电流传达率）下降，其它的CTR劣化形式还有芯片面的光结合树脂剥离。温度越高，P8CTR的下降也越快。同时，一极管电流越大，CTR下陆也越快.图6、图7标明了这些因素间 的关系。CTR降至起始值的50%所耗的时间称为半衰期。电源回路的统讣中以此为限界值，所以叮以认 为半衰期就圧卷命时间。通常条件下，半衰期为5万10万小时，但所有的光电耦介器都H有 如图8所示的寿命值，因而在进行寿命评估之前最好确认一次。5.3风扇风塌的点命受轴承及球形轴広的煥损程度影响。轴広部分因旋转而发热，风扇I也虽能进行-农 程度的

18、冷却，但不能从根本上解决发热问题。测出轴承部位的升温值，升温值越小，质量越好, 由此來选择合适的制造商。图6 （左上图）保存温度对CTR的径时变化图7 （右上图）动作试验与CTR的径时变化轴承部位的润滑油干枯及轴承的憔损导致转数尺降，噪音増大，加快了寿命的终结.关于转数的 减少，各制造商的标准不尽相同，但一般以起始值的 45%为1讽。好命随着温度的I Jl ifij缩 短。普通的DC无刷电动机在40*C的环境下，命约为40, 000小时，廉价的金属轴承风扇约 为10, 000小时。图9标出了风扇的寿命的特性值。另外，DC风心的寿命还受内脏部分一 电动机驱动冋路影响风扇中经常会用到铝电解电容器，

19、因此有必要将电容器拆开检代（铝电解 是105*C部件吧）。P95.4半导体寿命杵能阿列里乌斯反应速度公式同样适用于半导体的存命。根据上曲提到过的（4）式，殍命L与温度 T之间有如下关系：A：常数EO：活性化能量k:玻耳兹曼常数故障的构成活性化能量氧化膜缺陷0.3 0.4eV离子性偏移0.7 1.3eV长时常数陷阱1.0eV电致徙动断路0.6-1.0eV金属腐蚀0.5 0.7eV金属间化介物生成0.5 0.7eV衣2活性化能匾活性化能廣由故障的构成决定，取农2屮的特殊值。图10表示了将Tj=125°C时的寿命设为1之后，相对 寿命与温度之间的关系，大致反映了半导体的寿命对 温度的依赖性

20、。功率循环功率晶体管、功率二极管等元件会随着能园通断造成 的温度循环而发生热疲劳.设计时，应考虑到这种热 疲劳的影响，并对照芯片9缝隙、封膜之间的线性膨 胀系数，采用特殊金属來连接芯片号裂缝，以减轻热 膨胀带來的机械性变形。川功率循环來表示寿命，一傲冇10, 000次以上。从电源的期琨寿命 來看，需要保持循环5, 000次以上。P105.5电阻器电阻的稳定性髙，故障率为1FIT以下，寿命极长，所以平时使用时无需待别留意.然而，因为 电阻值会发生变化，如果耍求高粘度的电阴值，则需要特别注臥用在电源中的谋基放人器、分 瓣电阻及标准电压中使用的电阻導就是用來保证电阻粘确度的。图11举出了电阻器的电阻

21、经时 变化情况。冲击电流防护冋路中使用的像电阻器一样带有浪汹电力的尤件，会因为开-关的循环而发生热疲 劳，导致断路。浪涌电力、持续时间和循环次数成以下关系。带负荷的衰减波形的耐浪涌特性如图13所示。将最人的豹波形的蜂值电压（Vp）代入（7） 式，可得Vrms,再代入（8）式，可求得额定电力倍数。这两个数值和衰减时间常数都适用于 图13。该曲线的内侧为安全地带.使用普通的银锯线（耐浪涌）时，约可承受30,000次浪涌。（7）（8）R：电阻值，W：额定功率时间常数是当衰减波形的实效值降至第一波形的0.368倍时的时间值,所以其数值-般从电阻值 上的波形照片中获得。P115.6热敏功率电阻器 舟命性

22、能作为冲击电流防护回路的部件,使用在较小容斗（不超过70W）的电源中。电源接入时，电流 达到最大侑，热敏电阻阪着温度的上升，电阻值降低.通常温度会上升至7090°C,虽然热敏 电阻采用的是耐热材料，但热疲劳仍然会影响其寿命。制造商方面的寿命规格：当通过最大允许 电流时，断续负荷的寿命为10,000次循环。然而,热敏电阻器在用來防护冲击电流时，电源通 入后，电阻上通过的电流会达到股人允许电流的10-20倍，所以功率循环的耐川期也会缩短。 寿命判定电阻值随时间的推移而发生变化，其变化率超过观定值时，寿命即告终I上。热敏功率电阻在用來 防护冲击电流时，电阻值会逐渐变大。表3列出了热墩电阻殍

23、命性能规格。农3热蝕功率电阻器的妤命性能项口规格条件断续负荷寿命电阳变化±10%常温常湿，外加最大允许电流1,000小时，反复进行1 分钟ON5分钟OFF的循环连续负荷殍命电阻变化率±10%常温常湿，连续外加最大允许电流1,000小时. 其后放置25C环境中1小时,再进行检测潮湿放置电阻变化率±10%环境温度40±3,相对湿度9095%,放置1,000小时。其后放置25X?环境中4小时,再进行检测P126.7塑膜电容器薄膜电容器的故障类型分为开路、绝缘电阻下降和短路。虽变过程农现为电介质损火的增加（tanO 增大）及那电容量的减少。一般來说，薄膜电容器的

24、劣化会受外加电斥及温度影响而加速，电压加速和温度加速的悄况分别 适用于57倍相乘法和10*C翻倍法。由下式推算寿命L：（9）注：L0：温度TO、电压V0时的寿命V：实际外加电压T:使用环境温度n: 57Q: 10*C电容器制造商通过加速殍命测试获得好命数据，从U确定好命规格。例如，©温度为85£,外 加电压为额定值的1.25倍的条件下，保证殍命在1,000小时以上。按实际使用怙况來推算寿命 时长，可将上面的保证寿命值代入（9）式中求出。如果充分考虔电压和温度折损值，则算出的 寿命极为漫长（1,000力小时），不过这种低应力条件下的殍命推算并没有什么实际意义，对选 择制造商也

25、毫无裨益。5.8陶瓷电容器陶瓷电容器的劣化形式主要为挣电容就减少。外加电压和温度会加快劣化进程，其影响效果分別 适用于3倍法和20C翻倍法。电容率高的材料，静电容屋的减少更为明显。有些髙电容率的材 料，在使用1,000小时后,容量变化高达20%。推算寿命L通过春命性能用（9）式求出。但，L0：外加电压V0、温度T0时的寿命V：实际外加电压n:3, Q： 20°C陶逢电容器和薄膜电容器-样，通过加速寿命测试取須的数据來确定寿命规格，即以保证值为依 据，由（9）式求得寿命规格。P135.9继电器、开关继电器和开关的寿命分两种：一为机械寿命，-为电寿命。询者由机械部件的磨损程度决定，包 括

26、开关灵活性下降、继电器匸作时间和复位时间延长等现象。后者主要受绝缘电阳和接点的接触 电阻增大的彩响。以上几种劣化形式中,最需要引起注总的是电感负戮的浪涌电压引发的接点电 弧现象，以及冲击电流引发的接点劣化问题。-般來说，开关电压和电流越人，接点介命越短。 功率因数越小，寿命越短。图14表示了继电器的寿命性能。虽然制造商提供的数据并非全然无用，但伏I为负载状态对寿命性能影响极大，所以最好在冋路实 际工作条件下进行测试。图15、图16是继电器的寿命测试数据，图仃、图18是开关的测试数 据。P145.10印制底板的焊接 寿命性能单ihi卬制底板造价低，应用广泛，缺点是机械性能22,制作上限制很务。而

27、11,单面底板的焊接 稳定性和寿命性能均不如双面通孔印制底板，所以寿命评佔尤显重翌。图19是焊接模樂。焊接的劣化分以下三种类型：a. 导线的张力负载导致导线的接合面松动及铜箔连接部分剥落。b. 动态负载引起的焊接与导线部分的松动。动态负载是稳定振荡的负载。c静态负截引起的焊接蠕变。濟态负载就是固定的负载。蠕变是指沸态负载K期枳压，导致焊接 内部发生的永久性变形。 动态负载中的a、b两种类型是焊接变形受负载影响，超过弹性界限而引发的故障。这-过程会受温度循环的影响而加快。图20举出了动态负载造成次品发生的例子。如本图所示，将双接 头部件的导线焊至接合区，取复100°C （8小时）、常温25C （16小时）的循环，毎循环5次后, 于常温屮进行1小时的振动测试，使焊接部分接受动态负载。次品率是指在反复进行这种循环 处理30次后，单血接合区的焊接和导线部分发生接触不良的比率。P15 静态负载金属材料及塑料材料承受负载时，会发生